CN115051013A - 一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于燃料电池系统领域，提供了一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，包括电堆主体，所述电堆主体沿Y方向的外侧顶部包覆电堆外壳，其中，所述电堆外壳和所述电堆主体之间通过密封条连接；所述密封条将所述电堆主体与所述电堆外壳之间的区域分为第一区域和第二区域；所述电堆外壳在所述电堆主体的一侧形成阴极气体入口，以及所述电堆外壳在所述电堆主体的另一侧形成阴极气体出口，阴极空气沿阴极气体入口进入电堆主体，进入的空气会同时进入第一区域，出口的空气通过阴极气体出口排出，阴极空气会进入第二区域，使得电堆密封材料内部分别与第一区域、第二区域形成压差。本发明可以满足高温下密封材料的密封能力。

Description

一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构
技术领域
本发明属于燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构。
背景技术
传统能源的消耗导致环境保护面临的压力增大，绿色、高效的能源技术越来越受到人们的关注。其中，全固态结构的固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为能量转换效率最高的一种发电技术，成为焦点之一。
全固态结构的固体氧化物燃料电池具有诸多的优点，比如：无需采用贵金属电极因而降低了成本；能量的综合利用效率可从单纯60％电效率提高到80％以上；燃料范围广泛，不仅可以用H2，CO等作燃料，而且可以直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物如甲醇等作燃料；可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害，因此对电极的要求大大降低。在“双碳”目标背景下，SOFC技术将有利助推我国能源结构绿色低碳转型和煤炭清洁利用。
然而，在SOFC电堆中，密封材料需要在高温环境，含有氧化性的环境中保持高度的密封性能，而电堆内部的一般层数较多、结构又较为复杂，各个零件间的热膨胀都会增加密封的难度，高温密封问题一直是影响固体氧化物燃料电池发展的主要技术难点之一，这也是影响整个高温固体氧化物燃料电池行业商业化进程的主要因素。
现有的密封材料在高温下只能承受很小的压差，导致电堆背压只能保持在一个较低的水平，常规SOFC系统中电堆背压很低，导致电堆性能低、布置复杂、辅件体积大、应用场景不灵活，直接提高电堆背压则会导致密封材料失效从而引起电堆漏气寿命衰减等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，所述的电堆外壳密封结构包括电堆主体，所述电堆主体沿Y方向的外侧顶部包覆电堆外壳，其中，所述电堆外壳和所述电堆主体之间通过密封条连接，密封条具有密封和绝缘能力；
所述密封条将所述电堆主体与所述电堆外壳之间的区域分为第一区域和第二区域；
所述电堆外壳在所述电堆主体的一侧形成阴极气体入口，以及所述电堆外壳在所述电堆主体的另一侧形成阴极气体出口，阴极空气沿阴极气体入口进入电堆主体，进入的空气会同时进入第一区域，出口的空气通过阴极气体出口排出，阴极空气会进入第二区域，使得电堆密封材料内部分别与第一区域、第二区域形成压差；
所述电堆主体下方有气体分配板，所述气体分配板水平方向一端设置分配板燃料入口，另一端设置分配板燃料出口，所述气体分配板上表面留有电堆燃料入口和电堆燃料出口，其中，燃料通过分配板燃料入口进入气体分配板，穿过电堆燃料入口进入电堆主体内部，反应后从电堆燃料出口进入气体分配板，最终通过分配板燃料出口流出。
进一步的，所述电堆主体采用阴极开放式电堆。
进一步的，所述电堆主体与所述气体分配板之间加装垫片，所述垫片具有很好的密封和绝缘能力。
进一步的，所述电堆外壳底部与所述气体分配板间通过焊接连接。
进一步的，所述气体分配板内具有换热腔室，所述换热腔室的一侧与分配板燃料出口相连，所述换热腔室的另一侧与电堆燃料出口相连。
进一步的，所述气体分配板内还具有预热腔室，所述预热腔室的一侧与分配板燃料入口相通，所述预热腔室的另一侧与电堆燃料入口连接。
进一步的，所述气体分配板内转动设置有导热圆盘，所述换热腔室内设置有与所述导热圆盘一侧相配合的第一换热套板，所述预热腔室内设置有与所述导热圆盘另一侧相配合的第二换热套板，即导热圆盘的一侧位于第一换热套板内，而导热圆盘的另一侧位于第二换热套板内，且由于导热圆盘是可以转动的，因此对于位于换热套板内的导热圆盘的部分是可以动态变化的。
进一步的，所述分配板燃料入口与所述预热腔室之间的通路上还设置有圆形腔，所述圆形腔内转动设置有旋转座，所述旋转座上均布设置有多个挡叶；所述旋转座与所述导热圆盘之间联动。
进一步的，所述分配板燃料入口与所述圆形腔的连接处朝向挡叶。
进一步的，所述圆形腔通过连通口与所述预热腔室相连，使得燃料气体通过连通口进入到预热腔室内时，通过将导热圆盘上的热量传导到第二换热套板上，实现对进入到预热腔室内的燃料气体进行预热的效果。
与现有技术相比，在本发明实施例提供的电堆外壳密封结构中，电堆外壳密封结构材料内外压差可以保持在相对较低的水平，满足高温下密封材料的密封能力，增加了电堆寿命，减小了空气路辅件的体积，更容易进行集成，降低设计人员的设计难度同时有效减少占地面积；另一方面提高背压可以提高反应气体的压力，从而提高电堆性能。本发明提供的电堆外壳密封结构还通过对燃料气体进入电堆主体之前进行预热，提高了燃料气体的燃烧效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本发明一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构的立体示意图；
图2为本发明提供的电堆外壳密封结构中去掉电堆顶部外壳的立体示意图；
图3为本发明提供的电堆外壳密封结构中去掉电堆顶部外壳的俯视图；
图4为本发明提供的电堆外壳密封结构中气体分配板的结构示意图；
图5为本发明提供的电堆外壳密封结构的正视图；
图6为本发明提供的电堆外壳密封结构中气体分配板的内部结构示意图；
图7为本发明提供的气体分配板中圆形腔的内部结构俯视图。
在图1-图7中：1、电堆外壳；2、气体分配板；3、分配板燃料入口；4、电堆主体；5、阴极气体入口；6、阴极气体出口；7、密封条；8、垫片；9、第一区域；10、第二区域；11、电堆燃料入口；12、电堆燃料出口；13、分配板燃料出口；21、换热腔室；22、预热腔室；23、圆形腔；24、导热圆盘；25、挡叶；26、连通口；27、第二换热套板；28、第一换热套板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，常规SOFC系统中电堆背压很低，导致电堆性能低、布置复杂、辅件体积大、应用场景不灵活，直接提高电堆背压则会导致密封材料失效从而引起电堆漏气寿命衰减等问题。为提升电堆性能与寿命，解决SOFC系统体积过大，降低系统复杂程度，本发明提供了提供一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1-图5所示，在本发明实施例中，提供了一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，所述的电堆外壳密封结构包括电堆主体4，所述电堆主体4沿Y方向的外侧顶部包覆电堆外壳1，其中，所述电堆外壳1和所述电堆主体4之间通过密封条7连接，密封条7具有密封和绝缘能力。
进一步的，如图3所示，在本发明实施例中，所述密封条7将所述电堆主体4与所述电堆外壳1之间的区域分为第一区域9和第二区域10。
作为优选，在本发明实施例中，所述电堆主体4采用阴极开放式电堆，阴极空气沿X方向进出电堆主体4，进入的空气会同时进入第一区域9，出口的空气会同时进入第二区域10，使得电堆密封材料内部分别与第一区域9、第二区域10形成非常小的压差。
进一步的，在本发明实施例中，所述电堆主体4下方有气体分配板2，所述电堆主体4与所述气体分配板2之间加装垫片8，所述垫片8具有很好的密封和绝缘能力。
进一步的，在本发明实施例中，所述气体分配板2水平方向一端设置分配板燃料入口3，另一端设置分配板燃料出口13，所述气体分配板2上表面留有电堆燃料入口11和电堆燃料出口12，其中，燃料通过分配板燃料入口3进入气体分配板2，穿过电堆燃料入口11进入电堆主体4内部，反应后从电堆燃料出口12进入气体分配板2，最终通过分配板燃料出口13流出。
进一步的，在本发明实施例中，所述电堆外壳1在所述电堆主体4的一侧形成阴极气体入口5，以及所述电堆外壳1在所述电堆主体4的另一侧形成阴极气体出口6，即阴极空气沿阴极气体入口5进入电堆主体4，进口的空气会同时进入第一区域9，出口的空气通过阴极气体出口6排出，此过程中，阴极空气会进入第二区域10，使得电堆密封材料内部分别与第一区域9、第二区域10形成非常小的压差。
在本发明实施例提供的电堆外壳密封结构中，电堆外壳密封结构材料内外压差可以保持在相对较低的水平，满足高温下密封材料的密封能力，增加了电堆寿命，减小了空气路辅件的体积，更容易进行集成，降低设计人员的设计难度同时有效减少占地面积；另一方面提高背压可以提高反应气体的压力，从而提高电堆性能。
综上所述，SOFC电堆系统可包含多个电堆主体4，电堆主体4下面是气体分配板2，气体分配板2前后两侧有分配板燃料入口3、分配板燃料出口13，电堆主体4和气体分配板2之间的垫片8同时起到密封和绝缘作用，防止气体泄露及气体分配板2带电；所述电堆主体4采用开放式阴极，空气沿着X方向水平流入流出；电堆主体4在Y方向上的中心位置分别布置两条密封条7，在电堆主体4顶端布置垫片8，起到密封和绝缘作用；在电堆主体4顶端和Y方向上布置电堆外壳1，电堆外壳1底部与气体分配板2间通过焊接连接，同时起到密封作用。
本发明提供的这种SOFC电堆外壳密封方式通过增加电堆外壳1和密封条7可以满足电堆高背压的需求，通过将进、出口空气引入电堆外侧可以降低电堆内部密封材料内外的压差，进而可以轻易地增加电堆背压而不引起密封材料失效，进一步提高电堆的性能和寿命，同时高背压可以缩小空气路辅件的体积，也有助于降低SOFC系统开发成本。
进一步的，如图6-图7所示，在本发明实施例中，所述气体分配板2内具有换热腔室21和预热腔室22，所述换热腔室21的一侧与分配板燃料出口13相连，所述换热腔室21的另一侧与电堆燃料出口12相连；所述预热腔室22的一侧与分配板燃料入口3相通，所述预热腔室22的另一侧与电堆燃料入口11连接。
本发明可以通过电堆主体4排出的反应后的燃料对通过电堆燃料入口11新进入到电堆主体4内的燃料进行预热。
具体的，如图7所示，在本发明实施例中，所述气体分配板2内转动设置有导热圆盘24，所述换热腔室21内设置有与所述导热圆盘24一侧相配合的第一换热套板28，所述预热腔室22内设置有与所述导热圆盘24另一侧相配合的第二换热套板27，即导热圆盘24的一侧位于第一换热套板28内，而导热圆盘24的另一侧位于第二换热套板27内，且由于导热圆盘24是可以转动的，因此对于位于换热套板内的导热圆盘24的部分是可以动态变化的。
进一步的，如图6-图7所示，为使得导热圆盘24转动，在本发明实施例中，所述分配板燃料入口3与所述预热腔室22之间的通路上还设置有圆形腔23，所述圆形腔23内转动设置有旋转座，所述旋转座上均布设置有多个挡叶25，所述分配板燃料入口3与所述圆形腔23的连接处朝向挡叶25，使得在通过分配板燃料入口3向圆形腔23内以高压形式注入燃料气体时，由于挡叶25的存在，燃料气体不能短时间大通量的快速通过，会同步推动旋转座进行转动。
作为优选，在本发明实施例中，所述旋转座与所述导热圆盘24之间联动，示例性的，旋转座与导热圆盘24之间的联动可以是通过带轮传动方式进行。
进一步的，如图7所示，在本发明实施例中，所述圆形腔23通过连通口26与所述预热腔室22相连，使得燃料气体通过连通口26进入到预热腔室22内时，通过将导热圆盘24上的热量传导到第二换热套板27上，实现对进入到预热腔室22内的燃料气体进行预热的效果。
另外，在通过分配板燃料入口3以高压形式向圆形腔23内注入燃料气体时，带动导热圆盘24进行转动，此时，由于导热圆盘24为旋转状态，使得位于第一换热套板28内的导热圆盘24的热端能够进入到第二换热套板27内，使得第二换热套板27处于较高温度的状态下，对于快速通过预热腔室22内的燃料气体进行预热处理。其中，在分配板燃料入口3以正常流速向圆形腔23内注入燃料气体时，燃料气体可以在圆形腔23内运转时，低速通过挡叶25上的通孔，因此，燃料气体的流速慢，使得燃料气体在预热腔室22内的换热时间充分，此时，即使导热圆盘24不旋转，导热圆盘24依然承担着第一换热套板28与第二换热套板27之间导热的桥梁，保证基础的换热。
综上所述，本发明提供的电堆外壳密封结构还通过对燃料气体进入电堆主体4之前进行预热，提高了燃料气体的燃烧效率。
以上各方案均只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述的电堆外壳密封结构包括电堆主体，所述电堆主体沿Y方向的外侧顶部包覆电堆外壳，其中，所述电堆外壳和所述电堆主体之间通过密封条连接；
所述密封条将所述电堆主体与所述电堆外壳之间的区域分为第一区域和第二区域；所述电堆外壳在所述电堆主体的一侧形成阴极气体入口，以及所述电堆外壳在所述电堆主体的另一侧形成阴极气体出口，阴极空气沿阴极气体入口进入电堆主体，进入的空气会同时进入第一区域，出口的空气通过阴极气体出口排出，阴极空气会进入第二区域，使得电堆密封材料内部分别与第一区域、第二区域形成压差；
所述电堆主体下方有气体分配板，所述气体分配板水平方向一端设置分配板燃料入口，另一端设置分配板燃料出口，所述气体分配板上表面留有电堆燃料入口和电堆燃料出口，其中，燃料通过分配板燃料入口进入气体分配板，穿过电堆燃料入口进入电堆主体内部，反应后从电堆燃料出口进入气体分配板，最终通过分配板燃料出口流出。
2.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述电堆主体采用阴极开放式电堆。
3.根据权利要求2所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述电堆主体与所述气体分配板之间加装垫片。
4.根据权利要求3所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述电堆外壳底部与所述气体分配板间通过焊接连接。
5.根据权利要求2-4任一所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述气体分配板内具有换热腔室，所述换热腔室的一侧与分配板燃料出口相连，所述换热腔室的另一侧与电堆燃料出口相连。
6.根据权利要求5所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述气体分配板内还具有预热腔室，所述预热腔室的一侧与分配板燃料入口相通，所述预热腔室的另一侧与电堆燃料入口连接。
7.根据权利要求6所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述气体分配板内转动设置有导热圆盘，所述换热腔室内设置有与所述导热圆盘一侧相配合的第一换热套板，所述预热腔室内设置有与所述导热圆盘另一侧相配合的第二换热套板。
8.根据权利要求7所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述分配板燃料入口与所述预热腔室之间的通路上还设置有圆形腔，所述圆形腔内转动设置有旋转座，所述旋转座上均布设置有多个挡叶；所述旋转座与所述导热圆盘之间联动。
9.根据权利要求8所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述分配板燃料入口与所述圆形腔的连接处朝向挡叶。
10.根据权利要求9所述的用于固体氧化物燃料电池系统的电堆外壳密封结构，其特征在于，所述圆形腔通过连通口与所述预热腔室相连。
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